Рудольф Киппенхан - Рудольф Киппенхан 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд
Мы почти правильно определили верхний предел главной последовательности с помощью нашей компьютерной модели. Однако эта модель описывает только «молодые» звезды, звезды, которые только начали свою жизнь. Постепенно количество водорода в центральных областях звезд понижается: вначале в наиболее тяжелых звездах, а затем — во все более и более легких. Звезды начинают стареть. В следующей главе мы рассмотрим этот процесс с помощью все той же компьютерной модели Солнца.
Глава 5
История жизни Солнца
Гелий является своего рода золой, образующейся при сгорании водорода. Когда «молодое» Солнце излучает со своей поверхности энергию в солнечное пространство, в его недрах водород превращается в гелий. С течением времени расходуется все больше и больше водорода. Рассматривая модель «молодого» Солнца, мы предположили, что оно полностью состоит из богатого водородом вещества одинакового состава. Но центральные области нашего Солнца постепенно все больше обогащаются гелием. Поэтому модель, которую мы заложили в компьютер, не может описать изменение свойств Солнца со временем.
От «молодого» Солнца к современному
При конструировании модели для звезд главной последовательности можно определить, какое количество энергии выделяется в каждой точке центральной области звезды за счет сгорания водорода. Известно также, сколько атомов гелия возникает там в каждую секунду. В центре «молодого» Солнца на каждый килограмм вещества образуется за год одна десятимиллионная доля грамма гелия. Если вычислить для каждой точки в объеме звезды, сколько гелия образуется там за миллион лет, то мы получим химический состав модели Солнца, который формируется через миллион лет после начала горения водорода.
Заложив в вычислительную машину новый состав центральных областей звезды, можно получить новое решение для модели. Но при увеличении концентрации гелия меняются и свойства звездного вещества. Иной становится его прозрачность для излучения, а ядерные реакции превращения водорода в гелий идут не так полно, как в «молодом» Солнце. Такая модель звезды описывает свойства Солнца через миллион лет после начала ядерных реакций; она отличается от модели «молодого» Солнца чрезвычайно слабо, поскольку миллион лет-это очень малый промежуток времени по сравнению с миллиардами лет, в течение которых Солнце светит за счет ядерных реакций. Поэтому температура поверхности в новой модели практически такая же, как у «молодого» Солнца, а светимость лишь ненамного выше. Поскольку в центре звезды становится меньше водорода, температура центральных областей Солнца в новой модели слегка повышается. Это означает, что теперь там образуется чуть больше энергии, чем прежде.
Новая модель Солнца тоже показывает нам, где освобождается энергия ядерных реакций и сколько водорода превращается в гелий за каждую секунду. И снова мы можем определить химический состав звезды еще через один миллион лет. Для этого нового химического состава вновь можно построить модель внутренней структуры Солнца.
Так мы можем последовательно переходить от одной модели Солнца к целому ряду других. Поскольку в результате каждого расчета мы можем определить температуру поверхности и светимость, то каждую из этих моделей можно изобразить точкой на диаграмме Г-Р. На этой диаграмме появляется цепочка точек, начало которой совпадает с «молодым» Солнцем. Эта последовательность точек описывает, как перемещается Солнце по диаграмме Г-Р в ходе своего развития. Мы определили таким образом путь развития Солнца.[12] Он показан на рис. 5.1. На некоторых участках этой траектории отмечено время, прошедшее с момента «зажигания» водорода в недрах Солнца.
Рис. 5.1. Путь развития Солнца на диаграмме Г-Р. Он начинается от «молодого» Солнца, проходит через точку, которая соответствует современному Солнцу, а затем уходит в сторону от «молодой» главной последовательности в область красных гигантов. На рисунке обозначено время, прошедшее с момента начала ядерной реакции превращения водорода в гелий в недрах «молодого» Солнца.
Путь развития нашего модельного Солнца проходит через точку на диаграмме, которая соответствует нынешнему времени. Теперь мы хорошо видим, что, как уже отмечалось выше, различие в свойствах между «молодым» Солнцем и современным Солнцем связано с постепенной временной эволюцией нашей звезды. Если учесть обогащение гелием центральной зоны Солнца, то свойства, которые предсказываются моделью, будут в точности совпадать с наблюдаемыми. Это обстоятельство укрепляет нашу уверенность в том, что расчеты свойств Солнца правильны. Расчеты позволили нам определить и возраст нашего Солнца. Между «молодым» Солнцем на диаграмме и Солнцем в настоящее время прошло 4,5 миллиарда лет. Таков возраст нашего Солнца. За это время из «молодого» Солнца образовалось нынешнее Солнце. Прежде чем говорить о будущем, остановимся еще на некоторых свойствах современного Солнца.
Воспользуемся возможностями, которые предоставляет нам наша компьютерная модель, и заглянем внутрь Солнца. На рис. 5.2, б представлена наша модель современного Солнца. Мы хотим сравнить ее со структурой «молодого» Солнца, показанной на рис. 4.2. Они не слишком отличаются друг от друга. Здесь и там мы видим конвективный внешний слой, в то время как в более глубокой области энергия переносится от внутренних слоев к внешним с помощью излучения. Превращение водорода в гелий происходит в реакциях протон-протонной цепочки. Современное Солнце отличается от молодого только тем, что в его центральной области содержится некоторое количество гелия, возникшего в результате ядерных реакций. В то время как во внешних слоях на килограмм вещества приходится 270 граммов гелия, в центральных областях содержание достигает 590 граммов. Примерно 300 граммов на килограмм массы образовалось в результате сгорания водорода. Во внешнем слое солнечное вещество постоянно перемешивается. Каждый грамм вещества, достигший внешней поверхности, за некоторое время до этого находился в нижней части конвективного слоя, где температура вещества составляет около одного миллиона градусов. Это примерно в 170 раз выше температуры внешней поверхности. Мы видим, что конвективная зона распространяется с поверхности до очень горячих внутренних областей. Это обстоятельство имеет важные следствия, на которых мы остановимся ниже.
Рис. 5.2. Внутреннее строение Солнца, полученное с помощью компьютерной модели, на разных стадиях его развития. Обозначения те же, что и на рис. 4.2. В отличие от этого рисунка теперь показаны области, обогащенные гелием. Они символически изображены с помощью кружков. Исходное вещество, богатое водородом, показано точками. С течением времени в центральной области Солнца становится все больше гелия, а сама эта область расширяется. Слева показаны изображения звезд в одинаковом масштабе (однако этот масштаб не совпадает с масштабом рисунков в левой части рис. 4.2). Справа от них показаны в увеличенном размере внутренние области, приведен масштаб увеличения: а — «молодое» Солнце, б — современное Солнце. В центре звезды, показанной на рис. в, уже есть сфера, целиком занятая гелием, который возник в результате горения водорода. Ядерная реакция превращения водорода в гелий происходит теперь в тонком слое, который окружает гелиевую сферу. На рис. г показано Солнце на стадии красного гиганта. Хорошо видны толстая внешняя конвективная зона и относительно малое внутреннее гелиевое ядро, размеры которого близки к диаметру белого карлика. Белый карлик изображен для сравнения справа внизу в масштабе, увеличенном в 100 раз по сравнению с изображением центральной части звезды на рис. г.
Почему на Солнце нет дейтерия?
Ядро атома дейтерия, одного из изотопов водорода, состоит из протона и нейтрона. Дейтерий не может существовать при высоких температурах, которые наблюдаются в недрах звезд. Уже при температуре 500 000 градусов ядра дейтерия могут взаимодействовать с ядрами водорода. В результате такой реакции образуется изотоп гелия. Дейтерий встречается в природе в небольших количествах: его можно найти, например, в межзвездном веществе, из которого образовались все звезды. При рождении Солнца дейтерий тоже должен был войти в его состав, поскольку следы этого изотопа водорода наблюдаются и на Земле. Так, например, в океанской воде на каждые 5000 обычных атомов водорода встречается один атом дейтерия.
Однако этот изотоп отсутствует в солнечной атмосфере. Это не удивительно, поскольку из нашей компьютерной модели следует, что во внешних слоях Солнца дейтерия просто не может быть. Причиной этого является конвекция. Каждый атом дейтерия на внешней поверхности Солнца рано или поздно окажется в результате конвективного перемешивания у дна конвективной зоны. В этой области температура приближается к одному миллиону градусов. Как только атом дейтерия попадет в эту область, он при столкновении с ядром водорода превратится в изотоп гелия. За время, прошедшее с момента возникновения Солнца, весь дейтерий должен был разрушиться. Даже если сегодня дейтерий попадет на Солнце откуда-нибудь из космического пространства, то через два или три года атомы дейтерия окажутся во внутренних, горячих слоях Солнца и превратятся в атомы гелия.
